Полная коллекция методов сварки труб из нержавеющей стали

Достижения в области обработки материалов открыли уникальные возможности в области производства труб из нержавеющей стали. Типичные области применения включают выхлопные трубы, топливопроводы, форсунки и другие компоненты. При производстве труб из нержавеющей стали сначала формуют плоскую стальную полосу, а затем придают ей круглую форму. После формирования швы трубы необходимо сварить вместе. Этот сварной шов существенно влияет на формуемость детали. Поэтому чрезвычайно важно выбрать подходящую технологию сварки, чтобы получить сварочный профиль, отвечающий строгим требованиям испытаний в обрабатывающей промышленности. Нет сомнений в том, что при производстве труб из нержавеющей стали применялись газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW), высокочастотная (ВЧ) сварка и лазерная сварка.

Высокочастотная индукционная сварка
При высокочастотной контактной сварке и высокочастотной индукционной сварке оборудование, обеспечивающее ток, и оборудование, обеспечивающее силу выдавливания, независимы друг от друга. Кроме того, в обоих методах используются стержневые магниты, представляющие собой магнитомягкие элементы, расположенные внутри корпуса трубы и помогающие сосредоточить сварочный поток на краю стальной полосы. В обоих случаях полосу разрезают, очищают, сворачивают и доставляют к месту сварки. Кроме того, для охлаждения индукционной катушки, используемой в процессе нагрева, используется охлаждающая жидкость. Наконец, в процессе экструзии будет использоваться некоторое количество охлаждающей жидкости. Здесь к экструзионному шкиву прилагается большая сила, чтобы избежать пористости в области сварного шва; однако использование большей силы экструзии приведет к увеличению заусенцев (или бортиков). Поэтому для удаления заусенцев изнутри и снаружи трубы используются специально разработанные ножи. Основным преимуществом процесса высокочастотной сварки является возможность обработки стальных труб на высоких скоростях. Однако, как это типично для большинства твердофазных кованых соединений, высокочастотные сварные соединения нелегко надежно проверить с использованием традиционных неразрушающих методов (NDT). Трещины в сварных швах могут возникать на плоских тонких участках низкопрочных соединений, которые невозможно обнаружить традиционными методами и, следовательно, они могут оказаться недостаточно надежными в некоторых требовательных автомобильных приложениях.

Газо-вольфрамовая дуговая сварка (GTAW)
Традиционно производители стальных труб для завершения процесса сварки выбирают газовую вольфрамовую дуговую сварку (GTAW). GTAW создает электрическую сварочную дугу между двумя неплавящимися вольфрамовыми электродами. В то же время из распылителя подается инертный защитный газ для защиты электродов, создания потока ионизированной плазмы и защиты расплавленной сварочной ванны. Это устоявшийся и понятный процесс, результатом которого является повторяемая высококачественная сварка. Преимуществами этого процесса являются повторяемость, сварка без брызг и устранение пористости. GTAW считается процессом электропроводности, поэтому, условно говоря, этот процесс относительно медленный.

высокочастотный дуговой импульс
В последние годы источники сварочного тока GTAW, также известные как высокоскоростные переключатели, обеспечивают импульсы дуги, превышающие 10 000 Гц. Клиенты на заводах по обработке стальных труб получают выгоду от этой новой технологии: высокочастотные импульсы дуги приводят к увеличению давления дуги вниз в пять раз по сравнению с обычной GTAW. Характерные улучшения включают повышенную прочность на разрыв, более высокую скорость сварочной линии и сокращение количества отходов. Клиенты производителей стальных труб вскоре обнаружили, что профиль сварного шва, полученный с помощью этого процесса сварки, необходимо уменьшить. Кроме того, скорость сварки все еще относительно низкая.

Лазерная сварка
Во всех случаях сварки стальных труб края стальной полосы плавятся и затвердевают, когда края трубы сжимаются вместе с помощью зажимных скоб. Однако уникальным свойством лазерной сварки является высокая плотность энергетического луча. Лазерный луч не только расплавляет поверхностный слой материала, но и создает «замочную скважину», в результате чего получается узкий профиль сварного шва. Если плотность мощности ниже 1 МВт/см2, как, например, в технологии GTAW, она не будет производить достаточную плотность энергии для создания «замочных скважин». Таким образом, процесс без замочной скважины приводит к получению широкого и неглубокого профиля сварного шва. Высокая точность лазерной сварки обеспечивает более высокую эффективность провара, что, в свою очередь, уменьшает рост зерна и повышает металлографическое качество; с другой стороны, более высокое потребление тепловой энергии и более медленный процесс охлаждения GTAW приводят к грубосварной конструкции.

Вообще говоря, считается, что процесс лазерной сварки быстрее, чем GTAW, они имеют одинаковую степень брака, а первый обеспечивает лучшие металлографические свойства, что приводит к более высокой ударной прочности и более высокой формуемости. По сравнению с высокочастотной сваркой при лазерной обработке материалов не происходит окисления, что приводит к снижению процента брака и повышению формуемости. Влияние размера пятна: при сварке на заводах по производству труб из нержавеющей стали глубина сварки определяется толщиной стальной трубы. Таким образом, производственной целью является улучшение формуемости за счет уменьшения ширины сварного шва при одновременном достижении более высоких скоростей. При выборе наиболее подходящего лазера следует учитывать не только качество луча, но и точность трубопрокатного станка. Кроме того, необходимо учитывать ограничения по уменьшению светового пятна, прежде чем погрешности размеров трубопрокатного станка могут сыграть свою роль.
Существует множество проблем с размерами, характерных для сварки стальных труб, однако основным фактором, влияющим на сварку, является шов в сварочной камере (точнее, сварочной катушке). После того как полоса сформирована и подготовлена ​​к сварке, к характеристикам сварного шва относятся зазоры между полосами, сильное/незначительное смещение сварного шва и изменения центральной линии сварного шва. Зазор определяет, сколько материала используется для формирования сварочной ванны. Слишком большое давление приведет к появлению избытка материала на верхнем или внутреннем диаметре стальной трубы. С другой стороны, сильное или незначительное несоосность сварки может привести к ухудшению внешнего вида сварки.
Кроме того, после прохождения сварочной коробки стальная труба будет подвергаться дальнейшей обрезке. Сюда входит корректировка размера и формы. С другой стороны, дополнительные работы могут устранить некоторые крупные/мелкие дефекты сварного шва, но не могут устранить их все. Конечно, мы хотим добиться отсутствия дефектов. Вообще говоря, эмпирическое правило заключается в том, что дефекты сварки не должны превышать пяти процентов толщины материала. Превышение этого значения повлияет на прочность сварного изделия.
Наконец, наличие осевой линии сварки важно для производства качественных труб из нержавеющей стали. Поскольку на автомобильном рынке все большее внимание уделяется формуемости, это напрямую связано с необходимостью уменьшения зон термического влияния (ЗТВ) и уменьшенного профиля сварки. Это, в свою очередь, способствует развитию лазерных технологий, улучшающих качество луча и уменьшающих размер пятна. Поскольку размер пятна продолжает уменьшаться, нам необходимо уделять больше внимания точности сканирования центральной линии шва. Вообще говоря, производители стальных труб стараются максимально уменьшить это отклонение, но на самом деле добиться отклонения в 0,2 мм (0,008 дюйма) очень сложно.
Это приводит к необходимости использования системы отслеживания сварных швов. Двумя наиболее распространенными технологиями отслеживания являются механическое сканирование и лазерное сканирование. С одной стороны, в механических системах используются датчики для контакта с соединениями перед сварочной ванной, которые подвержены загрязнению, износу и вибрации. Точность этих систем составляет 0,25 мм (0,01 дюйма), что недостаточно для высококачественной лазерной сварки.
С другой стороны, лазерное отслеживание швов позволяет достичь требуемой точности. Вообще говоря, лазерный свет или лазерные пятна проецируются на поверхность сварного шва, а полученное изображение передается обратно на CMOS-камеру, которая использует алгоритмы для определения местоположения сварных швов, дефектных соединений и зазоров.
Хотя скорость визуализации важна, лазерные устройства отслеживания швов должны иметь достаточно быстрые контроллеры, чтобы точно определять положение сварного шва, обеспечивая при этом необходимое управление с обратной связью для перемещения лазерной фокусирующей головки непосредственно над швом. Поэтому важна точность отслеживания сварного шва, а также время отклика.
В целом технология отслеживания сварных швов полностью разработана и может также позволить производителям стальных труб использовать лазерные лучи более высокого качества для производства труб из нержавеющей стали с лучшей формуемостью.
Поэтому лазерная сварка нашла свое место. Он используется для уменьшения пористости сварного шва и уменьшения формы сварного шва при сохранении или увеличении скорости сварки. Лазерные системы, такие как слябовые лазеры с диффузионным охлаждением, улучшают качество луча, что еще больше улучшает формуемость за счет уменьшения ширины сварного шва. Это развитие привело к необходимости более строгого контроля размеров и лазерного отслеживания сварных швов на заводах по производству стальных труб.